Bioassay-güdümlü ayırma kullanarak deniz taşemen Feromonlar tanımlaması
Summary
Burada, ayırmak ve yapısını, koku kudret ve deniz lampreys, sözde feromon bileşiklerin davranışsal yanıt karakterize bir iletişim kuralı mevcut.
Abstract
Bioassay-güdümlü ayırma Kılavuzu yalıtım ve bir etkin feromon bileşik tanımlaması için fizyolojik ve davranışsal biyoanalizler sonuçlarını kullanır yinelemeli bir yaklaşımdır. Bu yöntem başarılı alan nitelik özellikleri kimyasal sinyallerin Feromonlar hayvan türlerinin geniş bir alanda olarak bu işlev sonuçlandı. Deniz lampreys davranış ya da fizyolojik yanıt aracılık Feromonlar tespit etmek için koku alma üzerinde güveniyor. Biz bu bilgi balık biyoloji sözde Feromonlar işlevlerini yerine koymak ve Kılavuzu yalıtım ve etkin feromon bileşenleri tanımlaması için kullanın. Kromatografi ayıklamak, konsantre ve bileşikleri şartına sudan ayırmak için kullanılır. Elektro-olfactogram (EOG) kayıtları hangi kesirler koku yanıt-e doğru çıkarmak belirlemek için yapılmaktadır. İki seçenekli labirent davranış deneyleri daha sonra herhangi bir kokulu kesirler de davranışsal etkindir ve neden bir tercih belirlemek için kullanılır. Spektrometrik ve spektroskopik Yöntemler moleküler ağırlık ve yapısı aydınlatma ile yardımcı olacak yapısal bilgiler sağlar. Bioactivity saf bileşiklerin EOG ve davranışsal deneyleri ile doğrulanır. Labirent içinde gözlenen davranış yanıt sonuçta kendi işlevleriyle bir doğal akışı ayarı onaylamak için bir alan ortamda doğrulanması. Bu biyoanalizler 1) ayırma işlemi yol ve 2) onaylamak için ikili bir rol oynar ve daha fazla ayrılmış bileşenleri bioactivity tanımlamak. Burada, bioassay güdümlü ayırma yaklaşım yarar reaksiyonların bir deniz taşemen feromon kimlik temsilcisi sonuçları raporu. Deniz taşemen Feromonlar tanımlaması invaziv deniz taşemen Laurentian göller denetlemek için kabul seçenekler arasında bir modülasyon feromon iletişim sistemi olduğu için özellikle önemlidir. Bu yöntemi özellikleri geniş bir dizi iletişim kimyasal karakterize ve su bazlı kimyasal ekoloji ışık için kolayca adapte edilebilir.
Introduction
Feromonlar gıda kaynakları bulma, yırtıcı algılama ve conspecifics1sosyal etkileşimlerin arabuluculuk yardım bireyler tarafından yayımlanan belirli kimyasal sinyaller. Feromon iletişim böceklerde de okudu2olmuştur; Ancak, kimyasal kimlik ve suda yaşayan omurgalı Feromonlar biyolojik fonksiyonu olarak kapsamlı bir şekilde incelenmiştir değil. Kimlik bilgisine ve serbest Feromonlar fonksiyonu tehdit türlerin3,4 veya kontrol haşere türü5,6kurtarma kolaylaştırmak için uygulanır. Bu tekniklerin uygulama yalıtım ve karakterizasyonu biyoaktif feromon bileşenleri gerektirir.
Feromon kimlik doğal ürün Kimya bir dalıdır. Feromon araştırma sürüyor kısmen feromon moleküller kendilerini yapısı nedeniyle sınırlı olmuştur. Feromonlar çoğu kez kararsız ve küçük miktarlarda yılında yayımlanan ve uçucu7,8 , suda çözünen bileşikler9dakika miktarda algılamak için sadece birkaç örnekleme teknikleri adlı biri yok. Feromonlar tanımlamak için bir yaklaşım bilinen bileşikler, 2) metabolomics ve 3) bioassay-güdümlü ayırma hedeflenen 1) bir tarama içerir. A hedeflenen perde bilinen bileşikler ticari olarak mevcut metabolik yan ürünleri Feromonlar çalışması için olan fizyolojik süreçlerin sınar. Araştırmacılar sadece bilinir ve kullanılabilir bileşenler test edebilirsiniz çünkü bu yaklaşım sınırlayıcı olduğunu. Ancak, Japon balığı cinsiyet hormonları başarılı tanımlaması bu işlevi Feromonlar10,11,12olarak sonuçlandı. Metabolomics biyolojik sistem13içinde potansiyel küçük molekül metabolik ürünler ayıran ikinci bir feromon kimlik bir yaklaşımdır. İki grubun (yani, bir etkin ve etkin olmayan bir özü) metabolik profilleri karşılaştırılması potansiyel bir metabolik profili kimliği sağlar hangi metaboliti saf üzerinden, yapısı aydınlatılmamıştır ve bioactivity teyit edilen14yaşında. Özel karışımlar karmaşık formülasyonları katkı maddesi ya da sinerjik etkileri metabolitleri birlikte yerine kesirler13bir dizi olarak kabul edilir çünkü metabolomics ile tespit edilebilir olasılığı daha yüksektir. Ancak, elde edilen verileri yeni yapıların aydınlatma kolaylaştırmak değil çünkü metabolomics uygulanması sentetik başvurular kullanılabilirliğine dayanır.
Bioassay-güdümlü ayırma yaklaşımdır iki alanı kapsayan bir entegre, yinelemeli: kimya ve biyoloji. Bu yaklaşım kılavuzu yalıtım ve bir etkin feromon bileşik tanımlaması için fizyolojik ve davranışsal biyoanalizler sonuçlarını kullanır. Ham bir özü bir kimyasal özelliği (yani, moleküler boyutu, polarite, vb) tarafından şeker ve elektro-olfactogram (EOG) kayýtlarý içeren ve/veya bir bioassay test edilmiştir. Biyoaktif bileşenler ayırma ve EOGs ve/veya biyoanalizler aşağıdaki adımları tekrar ederek dışarı ekranlı. Saf aktif bileşikler yapılarının moleküler ağırlık ve bahçedeki sentezlenmiş için bir şablon oluşturmak için yapısal bilgi sağlayan spektrometrik ve spektroskopik yöntemler tarafından aydınlatılmamıştır. Bioassay-güdümlü ayırma farklı metabolitleri ve potansiyel olarak Roman Feromonlar biyosentetik yolları öngörülen vermemektedirler benzersiz kimyasal iskeletler ile yol açabilir.
Burada, biz yalıtmak ve erkek deniz taşemen seks feromon bileşiklerin bioactivity karakterize için kullanılan bioassay güdümlü ayırma iletişim kuralı tanımlamak. Deniz taşemen (Petromyzon marinus) Bu balıklar ağır üç ayrı aşamadan oluşan anadromous onların yaşam öyküsü arabuluculuk kimyasal cues koku algılamayı dayandığından feromon iletişim eğitim için ideal bir omurgalı modelidir: Larvalar, çocuk ve yetişkin. Deniz taşemen larvaları tatlı su akışları tortu yuva, köklü bir metamorfoz geçmesi ve bir göl veya nerede büyük konak balık parasitize okyanus geçirmek gençlere dönüştürün. Ana bilgisayar balıktan ayırma sonra yetişkin yumurtlama akarsu geri akışı yerleşik larva15,16,17,18tarafından,19 serbest göçmen Feromonlar rehberliğinde göç . Olgun erkek yumurtlamabölgelerine dönmek çıkmak, arkadaşları çekmek, yaklaşık bir hafta için zaman zaman spawn ve sonra15,20ölmek çok bileşenli seks feromon serbest. Deniz taşemen Feromonlar tanımlaması önemli çünkü bir modülasyon feromon iletişim sisteminin Laurentian büyük göller21invaziv deniz lampreys kontrol etmek için kabul seçenekler arasında yer alıyor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Balık bileşiklerin henüz tespit için tam bir kimyasal dünyada yaşıyoruz. Bioassay-güdümlü ayırma belirlemek ve bu masu somon31, Asya filler32ve deniz lampreys33gözlenen gibi birçok kimyasal etkileşimlerin arabuluculuk biyoaktif molekülleri karakterize temel kanıtlamıştır, 34,35. Bioassay-güdümlü ayırma doğru bir şekilde izleme ve belirlemekte başlangıç …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Okyanus deniz lampreys sağlamak için Kanada ve ABD Jeolojik Araştırma Hammond Bay biyolojik İstasyonu onların araştırma tesislerinin kullanımı ve personel ABD balık ve vahşi yaşam servisi ve balıkçılık için teşekkür ederiz. Bu araştırma Weiming Li ve Ke Li büyük göl balıkçılık Komisyonu hibe tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Premium standard wall borosilicate capillaries with filament | Warner Instruments | G150F-4 | recording and reference electrode (OD 1.5 mm, ID 0.86 mm) |
| Pipette puller instrument | Narishige | PC-10 | pulls electrodes for EOGs |
| Diamond-tipped glass cutter | Generic | cut tip of electrodes for EOG | |
| Borosilicate glass capillaries | World Precision Instruments | 1B150-4 | odorant delivery tube for EOG |
| Recording electrode holder E Series straight body with Ag/AgCl pellet for glass capillary OD 1.5 mm | Warner Instruments | ESP-M15N | recording electrode holder |
| Reference electrode holder E Series with handle with Ag/AgCl pellet for glass capillary OD 1.5 mm | Warner Instruments | E45P-F15NH | reference electrode holder |
| 1 mm pin | Warner Instruments | WC1-10 | to bridge reference and recording electrode holders |
| 2 mm pin | Warner Instruments | WC2-5 | to bridge reference and recording electrode holders |
| Agar | Sigma | A1296 | molten agar to fill electrodes |
| Potassium chloride (KCl) | Sigma | P9333 | 3M KCl to fill electrodes and electrode holders |
| Micropipette microfil | World Precision Instruments | MF28G-5 | to fill electrodes and electrode holders |
| L-Arginine | Sigma | A5006 | positive control odorant for EOG |
| Methanol | Sigma | 34860 | |
| Water bath | Custom made | N/A | holds odorants for EOG |
| 3-aminobenzoic acid ethyl ester (MS222) | Syndel USA | Tricaine1G | EOG anesthetic |
| Gallamine triethiodide | Sigma | G8134-5G | EOG paralytic |
| 1 mL syringe | BD Biosciences | 301025 | to administer paralytic |
| Subcutaneous needle 26G 5/8 | BD Biosciences | 305115 | to administer paralytic |
| Roller clamp | World Precision Instruments | 14043-20 | adjust flow rate of anesthic into lamprey's mouth |
| Sodium chloride (NaCl) | J.T. Baker | 3624-05 | for preparation of 0.9% saline |
| V-shaped plastic stand as specimen stage | Custom made | N/A | holds lamprey during EOG |
| Plastic trough | Custom made | N/A | holds V-shaped plastic stand during EOG |
| Scalpel Blades – #11 | Fine Science Tools | 10011-00 | for EOG dissection |
| Scalpel Handle – #3 | Fine Science Tools | 10003-12 | for EOG dissection |
| Straight ultra fine forceps | Fine Science Tools | 11252-00 | for EOG dissection, Dumont #5SF Forceps |
| Curved ultra fine forceps | Fine Science Tools | 11370-42 | for EOG dissection, Moria MC40B |
| Straight pring Scissors | Fine Science Tools | 15003-08 | for EOG dissection |
| Stereomicroscope | Zeiss | Discovery V8 | for EOG dissection |
| Illuminator light | Zeiss | CL 1500 ECO | for EOG dissection |
| Plastic tubing | Generic | to connect re-circulating EOG setup and water baths | |
| Odorant delivery tubing | Custom made | N/A | |
| In line filter and gasket set | Lee Company | TCFA1201035A | |
| Micromanipulators | Narishige | MM-3 | to position electrodes and odorant delivery capillary tube |
| Magnetic holding devices | Kanetec | MB-K | |
| Valve driver | Arduino | custom made | to control the opening of the valve for odor stimulation |
| Electromagnetic valve | Lee Company | LFAA1201618H | valve for odor stimulation |
| NeuroLog AC/DC amplifier | Digitimer Ltd. | NL106 | to increase the amplitude of the elictrical signal |
| NeuroLog DC pre-amplifier with headstage | Digitimer Ltd. | NL102G | to increase the amplitude of the elictrical signal |
| Low-pass 60 Hz filter | Digitimer Ltd. | NL125 | |
| Digitizer | Molecular Devices LLC | Axon Digidata 1440A | |
| Dell computer (OptiPlex 745) running Axoscope data acquistion software | Molecular Devices LLC | AxoScope version 10.4 | |
| Faraday cage | Custom made | N/A | Electromagnetic noise shielding |
| Two-choice maze | Custom made | N/A | waterproofed marine grade plywood covered with plastic liner |
| Trash pump | Honda | WT30XK4A | fills maze with water from nearby river |
| Peristaltic pump with tubing | Cole Parmer | Masterflex 07557-00 | to adminster odorants in maze |
| Inverter Generator | Honda | EU1000i | powers perstaltic pump |
| Release cage | Custom made | N/A | used to acclimate lamprey in the maze |
| Mesh | Generic | used to contain the dimensions of the maze and minimize water turbulance with mesh rollers | |
| Buckets (5 gallon) | Generic | to mix odorants | |
| Flow meter | Marsh-McBirney | Flo-Mate 2000 | to measure discharge |
| XAD 7 HP resin | Dow chemical | 37380-43-1 | for extraction of conditioned water |
| Methanol | Sigma | 34860 | for extraction of conditioned water |
| Water bath | Yamato | BM 200 | for extraction of conditioned water |
| Freeze dryer | Labconco | CentriVap Concentrator | for extraction of conditioned water |
| chloroform | Sigma | CX1050 | for isolation of fraction pools |
| Silica gel 70-230 mesh | Sigma | 112926-00-8 | for isolation of fraction pools |
| Silica gel 230-400 mesh | Sigma | 112926-00-8 | for isolation of fraction pools |
| Pre-coated silica gel TLC plates | Sigma | 99571 | for isolation of fraction pools |
| anisaldehyde | Sigma | A88107 | for isolation of fraction pools |
| Sephadex LH-20 | GE Healthcare | 17-0090-01 | for isolation of fraction pools |
| Amberlite XAD 7 HP resin | Sigma | XAD7HP | for extraction of conditioned water |
| 4, 2.5L capacity glass columns | Ace Glass Inc. | 5820 | for extraction of conditioned water |
| Acetone | Sigma | 650501 | for extraction of conditioned water |
| TQ-S TOF LC Mass spectrometer (or equivalent) | Waters Co. | N/A | for structure elucidation |
| Binary HPLC pump | Waters Co. | 1525 | for isolation of fraction pools/compounds |
| Agilent NMR spectrometer, 900MHz (or equivalent) | Agilent | N/A | for structure elucidation |
| Rotovap drying system | Buchi | RII | for extraction of conditioned water |
| UV lamp (254 nm) | Spectronics Co. | ENF-240C | for thin layer chromatography |
References
- Wyatt, T. D. . Pheromones and Animal Behavior: Chemical Signals and Signatures. , (2014).
- Zhu, J., et al. Reverse chemical ecology: Olfactory proteins from the giant panda and their interactions with putative pheromones and bamboo volatiles. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (46), E9802-E9810 (2017).
- Leal, W. S. Reverse chemical ecology at the service of conservation biology. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (46), 12094-12096 (2017).
- Carde, R. T., Minks, A. K. Control of moth pests by mating disruption: successes and constraints. Annual Review of Entomology. 40 (1), 559-585 (1995).
- Witzgall, P., Kirsch, P., Cork, A. Sex pheromones and their impact on pest management. Journal of chemical ecology. 36, (2010).
- Cheng, Y. -. n., Wen, P., Dong, S. -. h., Tan, K., Nieh, J. C. Poison and alarm: the Asian hornet Vespa velutina uses sting venom volatiles as an alarm pheromone. Journal of Experimental Biology. 220 (4), 645-651 (2017).
- Howse, P., Stevens, J., Jones, O. T. . Insect Pheromones and Their Use in Pest Management. , (2013).
- Pizzolon, M., et al. When fathers make the difference: efficacy of male sexually selected antimicrobial glands in enhancing fish hatching success. Functional Ecology. 24 (1), 141-148 (2010).
- Stacey, N., Sorensen, P. . Hormones in communication | Hormonal Pheromones Encyclopedia of Fish Physiology. , (2011).
- Kobayashi, M., Sorensen, P. W., Stacey, N. E. Hormonal and pheromonal control of spawning behavior in the goldfish. Fish Physiology and Biochemistry. 26 (1), 71-84 (2002).
- Stacey, N. Hormonally-derived pheromones in teleost fishes. Fish Pheromones and Related Cues. , 33-88 (2015).
- Kuhlisch, C., Pohnert, G. Metabolomics in chemical ecology. Natural Product Reports. 32 (7), 937-955 (2015).
- Prince, E. K., Pohnert, G. Searching for signals in the noise: metabolomics in chemical ecology. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 396 (1), 193-197 (2010).
- Teeter, J. Pheromone communication in sea lampreys (Petromyzon marinus): implications for population management. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 37 (11), 2123-2132 (1980).
- Moore, H., Schleen, L. Changes in spawning runs of sea lamprey (Petromyzon marinus) in selected streams of Lake Superior after chemical control. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 37 (11), 1851-1860 (1980).
- Vrieze, L. A., Bergstedt, R. A., Sorensen, P. W. Olfactory-mediated stream-finding behavior of migratory adult sea lamprey (Petromyzon marinus). Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 68, (2011).
- Wagner, C. M., Jones, M. L., Twohey, M. B., Sorensen, P. W. A field test verifies that pheromones can be useful for sea lamprey (Petromyzon marinus) control in the Great Lakes. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 63 (3), 475-479 (2006).
- Wagner, C. M., Twohey, M. B., Fine, J. M. Conspecific cueing in the sea lamprey: do reproductive migrations consistently follow the most intense larval odour?. Animal Behaviour. 78, (2009).
- Siefkes, M. J., Winterstein, S. R., Li, W. Evidence that 3-keto petromyzonol sulphate specifically attracts ovulating female sea lamprey Petromyzon marinus. Animal Behaviour. 70, (2005).
- Siefkes, M. J., Steeves, T. B., Sullivan, W. P., Twohey, M. B., Li, W. Sea lamprey control: past, present, and future. Great Lakes Fisheries Policy and Management. , 651-704 (2013).
- Li, K., et al. Three Novel Bile Alcohols of Mature Male Sea Lamprey (Petromyzon marinus) Act as Chemical Cues for Conspecifics. Journal of Chemical Ecology. 43 (6), 543-549 (2017).
- Hird, S. J., Lau, B. P. -. Y., Schuhmacher, R., Krska, R. Liquid chromatography-mass spectrometry for the determination of chemical contaminants in food. TRAC Trends in Analytical Chemistry. 59, 59-72 (2014).
- Little, J. L., Williams, A. J., Pshenichnov, A., Tkachenko, V. Identification of "known unknowns" utilizing accurate mass data and ChemSpider. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 23 (1), 179-185 (2012).
- Beckonert, O., et al. Metabolic profiling, metabolomic and metabonomic procedures for NMR spectroscopy of urine, plasma, serum and tissue extracts. Nature Protocols. 2 (11), 2692 (2007).
- Kaiser, B., Wright, A. . Draft Bruker XRF Spectroscopy User Guide: Spectral Interpretation and Sources of Interference. , (2008).
- Breitmaier, E., Sinnema, A. . Structure Elucidation by NMR in Organic Chemistry: A Practical Guide. , (1993).
- Seco, J. M., Quinoá, E., Riguera, R. The assignment of absolute configuration by NMR. Chemical Reviews. 104 (1), 17-118 (2004).
- Li, K., et al. Bile Salt-like Dienones Having a Novel Skeleton or a Rare Substitution Pattern Function as Chemical Cues in Adult Sea Lamprey. Organic Letters. , (2017).
- Li, K., Buchinger, T. J., Li, W. Discovery and characterization of natural products that act as pheromones in fish. Natural Product Reports. , (2018).
- Yambe, H., et al. L-Kynurenine, an amino acid identified as a sex pheromone in the urine of ovulated female masu salmon. Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (42), 15370-15374 (2006).
- Rasmussen, L., Lee, T. D., Zhang, A., Roelofs, W. L., Daves, G. D. Purification, identification, concentration and bioactivity of (Z)-7-dodecen-1-yl acetate: sex pheromone of the female Asian elephant, Elephas maximus. Chemical Senses. 22 (4), 417-437 (1997).
- Sorensen, P. W., et al. Mixture of new sulfated steroids functions as a migratory pheromone in the sea lamprey. Nature Chemical Biology. 1 (6), 324-328 (2005).
- Hoye, T. R., et al. Details of the structure determination of the sulfated steroids PSDS and PADS: New components of the sea lamprey (Petromyzon marinus) migratory pheromone. The Journal of organic chemistry. 72 (20), 7544-7550 (2007).
- Fine, J. M., Sorensen, P. W. Isolation and biological activity of the multi-component sea lamprey migratory pheromone. Journal of Chemical Ecology. 34 (10), 1259-1267 (2008).
- De Buchinger, T. J., Wang, H., Li, W., Johnson, N. S. Evidence for a receiver bias underlying female preference for a male mating pheromone in sea lamprey. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences. 280, (2013).
- De Bruyne, M., Baker, T. Odor detection in insects: volatile codes. Journal of Chemical Ecology. 34 (7), 882-897 (2008).
- Bradshaw, J., Baker, R., Lisk, J. Separate orientation and releaser components in a sex pheromone. Nature. 304 (5923), 265-267 (1983).
- Linn, C., Campbell, M., Roelofs, W. Pheromone components and active spaces: what do moths smell and where do they smell it. Science. 237 (4815), 650-652 (1987).
